Vol． 31，No． 08 第 31 卷第 8 期 August， 2012 年 8 期 2012  煤 炭 技 术 Coal Technology 基于 DSP 降压型 DC － DC 变换器的设计与实现 曾 维 ( 成都理工大学 信息科学与技术学院，成都 610059 ) 摘 要:通过对基本 buck 变换器的设计，采用基于 TI 公司的 DSP 芯片 TMS320F808 实现闭环反馈回路控制。输 ，最大输出电流为 2A。根据数字电源的原理与特点，合理设计电路，并给 入电压范围为 10V ～ 20V 出了外围器件参数的计算选取及部分器件计算制作方法。 关键词:开关电源; PWM 中图分类号:TN98 buck 拓扑; 电压控制脉冲宽度调制( 文章编号:1008 － 8725 ，输出电压为 5V 文献标识码:A 08 － 0144 － 02 2012 ) ( ) Design and Implementation of Step － down DC － DC Converter Based on DSP ( School of Information Science ＆ Technology ) ZENG Wei ， Chengdu University of Technology ， Chengdu 610059 ， Chi- : ， In this paper na ， Abstract ， closed loop control feedback loop output voltage 5V of 2A． The digital power supply design based on principles and characteristics and gives the calculation of selected parameters of peripheral devices and some devices calculating pro- duction methods． ) Key Words based on TI’s DSP chip TMS320F2808 ， maximum output current ， ， the design of the buck converter input voltage 10V － 20V switching power supply and the design circuit buck topology ， ( : ; ; PWM voltage － controlled pulse width modulation 取值小，电流纹波率小，不过电感体积大，反之效果 相反。图 1 绘出关于 Buck 变换器电容有效值电流 的曲线。由图可见，随着 r 增加都 0． 4 以上，电容电 流显著增加。这将使电容( 及相关器件) 内部发热 严重。 L ，从而推出 N = 图 1 电流纹波率 r 根据计算出电感为 46uH /2A ，根据公式 Φ = 1． 13 ，选择磁芯，这里 ，该型号的铁 选择磁芯为 26 铁粉芯———SST60 － 26 粉芯 AL 值为 50nH / N2，从而根据公式 L = AL × N2 × AL × 10槡 － 9 = 30 圈。这里电 10 － 9 H ，这里 Φ 是导线 1 槡J J 电流密度( 典型值 7 ～ 16 ) ，这里取 J = 13 ， 流值为 2A 的直径， 计算 Φ = 0． 44mm。 1. 2 开关管设计 计需要考虑 VDSS 题。通过计算流过开关管的峰值电流为 2． 4A ， 的开 关 管 为 N 沟 道 MOSFET———IRFZ44N 55V 开关管的一个很重要的原因是 RDS on 极大的降低了开关管所带来的损耗。 在开关电源电路设计过程中，功率开关管的设 额定值，峰值电流，损耗功率的问 ，选择 VDSS = ， ID = 49A。完全满足设计要求，这里选择这个 = 17． 5mΩ。 三极管构成的推拉式结构驱动电路驱 ( ) Q2 与 Q3 0 引言 近年来，随着技术的进步，通信电源在系统的可 靠性、稳定性，电磁兼容性，消除网侧电流谐波、提高 电能利用率、降低损耗、提高系统的动态性能等等 方面都取得长足的进步。此外，由于计算机监控系 统在通信电源中的广泛应用，也使得电源的智能化 程度不断提高，系统维护管理能力不断得到加强; 而 完善的接地系统和防雷措施进一步提高了电源的平 均无故障时间 MTBF。 本文采用基于 DSP 的 DC － DC 数字电源设计， 应用 TI 公司的 DSP 芯片 TMS320F808 实现闭环反 ，输出 馈回路控制。系统工作输入电压为 10V ～ 20V ，工作频率为 100kHz。本文通过对 直流电压为 5V 各个器件参数仔细设计计算，尤其是对电感参数的 选取计算，来改善开关电源地高频特性，为开关电源 的优化设计提供借鉴。 1 总设计电路 1. 1 电感设计 已知电流纹波为单位电感的伏秒数。可写成 ( 1 ΔI = Et / L 可得出电流纹波率的表达式 r = ΔI IL = Et LIL 经处理，可得由 r 表示 L 的公式 ( 2 ) 3 所以在最恶劣输入电压，也就是最大输入电压 VON × D r × IL × i L = ( 下，计算出电感: ( ) L = 20 － 5 ) = 46． 875μH 4 ，因为变换器各参数 应力及其体积，在 0． 2 ～ 0． 4 情况下较为合理，通常 r 0. 4 × 2 × 1000 × 1000 在这里，电流纹波率取 0． 4 × 25% ( ) ) 收稿日期:2011 － 11 － 23 作者简介:曾维( 1976 － ; 修订日期:2012 － 05 － 13 ) ，男，四川绵阳人，讲师，博士，主要研究领域: 计算机辅助材料、材料仪器。 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 8 期 曾 维: 基于 DSP 降压型 DC － DC 变换器的设计与实现 ·541· 动 MOS 管，这里需要注意，由于 R2 的电压比较大， 从而带来的电流也比较大，导致功率比较大，需要选 择功率比较大的线绕电阻。 1. 3 辅助电源设计 本辅助电源主要是给 DSP 供电，考虑到输入电 压在一定范围内变化，所以本设计做了 3 个供电方 案。并且使用的是 DSP 核心板，上面有一个稳压芯 片，所以为 DSP 核心板供电可以在一定范围内 变 化，这里设计核心板供电为 5V。总的辅助电源电路 图如图 2 所示: 图 2 辅助电源 辅助电源主要有 2 个部分，分别代表 2 种设计 方案，对于用分立元器件搭建的线性稳压电路。稳 ， 压管为 5． 6V 稳压管，正常工作时， D5 稳压在 5． 6V 压降为 0． 7V 左右，从而 经过 NPN 三极管 Q5 的 Vbe 使三极管 Ve 输出为 5V。对于 Q6 主要是用于可以 切换电源的方案，正常输出时， 这里切换 电 路 对 应 的 是 把 输 出 5V 切 换 到 给 DSP 供电，设计思路如下: 刚开始通电时候，分立元 件构成的线性稳压电源给 DSP 供电，但变换器正常 工作时候，输出为 5V 把线性稳压供电切换到由输 出 5V 给 DSP 供电。输出给 DSP 供电属于第 3 种供 电方式。第 2 种供电方式是通过稳压芯片 7805 给 DSP 供电，该设计方案稳定简单，易于实现。 2 反馈环路设计 Q6 关断。 反馈环路设计和磁路设计一样，是开关电源设 计的 2 个重点，也是难点之一。这里反馈环路主要 是对输出电压进行采样，然后送入到 DSP 与参考值 进行比较，从而产生合适占空比的 PWM ，从调节开 关导通时间长短。当输入电压和负载增大或者减小 的时候，占空比会相应的减小或者增大，从而使输出 电压稳定在设计值。 本文采用电压馈电模式，从输出经过电阻分压 ，采样 过后，送入到差分放大器，然后在送入到 A / D 的值在和参考值比较，从而调节 PWM 的占空比输 出，送到开关管的门极，控制开关管的导通时间。如 图 3 所示。 图 3 DSP 数字控制 DC － DC 变换器 ( 把图 3 进一步做出环路框图，如图 4 所示，其中 Fm 为 PWM 调制器的增益函数， ) 是包括开关 Gp 管和 LC 滤波器的总传递函数， Kd 是分压电阻的传 递函数。从实际中可以看出，这些都是硬件参数设 计而固定，不能通过编写程序而修改。并且可以看 出，本部分不包括 A / D 采样部分。令 Gp1 = Kd． s ， ( Kd = Fm． Gp ， ， Fm = 1。 L = 50uH 0． 25 ) ，在这里令 Vin = 20． 0 ， Rc = 0． 05ohm ， RL = 2． 5ohm ， C = 1000uF s s ) ( 其中 Gp ( ( ) s Gp = ) 为转换器的小信号模型，公式如下 s vin ［ ］ LC s2( 1 + sRcC 1 + + s + + ) ) ( RC L 1 CRL 1 LC RC RL ( ( 5 ) ) ( ) ( s = 5. 1 × 10 － 8 s2 + 1. 05 × 10 － 3 s + 1 Gp1 计算出来的 Gp1 10 － 3 s + 20 ) 是被控制对象的传递函数， 针对这个控制对象，本文尝试 PID 控制对环路进行 补偿，后续章节给出的仿真结果，可以看到使用 PID 控制器是合适的。把 Gp1 导入 Matlab 的工具 SISO- TOOL ，求出 PID 控制器的数学表达式 S + 9. 492E004 Gc1 0. 12212 = 6 7 s s ( ) ( ) ( ) s 图 4 环路框图 中 Ts = 10uS 为了在 DSP 中实现，对 Gc1 进行离散化处理， 这里采用零极点匹配和双线行变换 2 种方法，求出 差动方程。 运用 Matlab 的 C2D 转换之后的表达式如下，其 ) ) ) ) 11 这样，任选取一种算法就可以让 DSP 直接进行 z － 0. 3962 0. 29137 z － 2 ( ， ， ) ’tusin’ Ts ( ) z － 0． 356 ， ) ’matched’ Gc_z = c2d Gc_z = c2d 0． 27746 ， Ts ( Gc_s Gc_s z － 2 Gc1 Gc1 10 ( ( ( ( = = 8 9 z z ( ( ) ) ( ) 应用计算了。 3 DSP 程序设计 ISR 根据文中对反馈环路分析可知，首先利用 DSP 内部自带的 AD 对输出电压采样。TMS320F2808 的 ADC 会被外部引脚或软件触发开始，并且一旦转换 完成中断被触发。这时，在程序中的 ADC 中断处理 ) ，软 件 延 时 程序 被 调 用。在 中 断 服 务 程 序 ( ，然后等待 AD 转换完成，转换完成过后送入到 3uS 误差放大器，然后产生 PID 算法，最后产生占空比。 PWM 调制值是根据新的占空比周期计算，然后在 下一个 ADC 转换触发来之前更新寄存器的值。 4 结语 本文主要针对磁路设计和环路设计做了较详细 的分析和设计，并且对其他外围器件参数选择提供 设计方法。结合数字电源特点，基于 DSP 设计实现 ，输出电压 5V 的 BUCK 变换 了输入电压 10V ～ 20V 器，完成相关性能指标，对数字电源设计有很好的指 导意义。 参考文献: ［ ］ 王 志 强． 精 通 开 关 电 源 设 计［ 1 M ［ ］ 王志 强． 开 关 电 源 设 计［ 2 M ［ ］ 3 ［ ］ 4 ［ ］ 5 2005． ROBERT W． ERICKSON． Fundamentals of Power Electronics ［ ］ ］ ． KEITH BILLINGS． Switch － mode power supply handbook Academic Publishers Design and Implementation of a DSP Based Digital Controller for a DC － DC Converter． 2009 Second International Conference on Computer and Electrical Engineering ( 责任编辑 张欣) ］ ． 北 京: 人 民 邮 电 出 版 社， ］ ． 2 版． 北 京: 电 子 工 业 出 版 社， ． Academic Publishers : ［ ］ C ， 2001． ， 1999 ． Dubai 2010． 2009. ［ M M : 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net